天然气水合物分解的甲烷对海洋生物的影响_郭子豪.pdf

第 37 卷第 1 期2023 年 2 月现代地质GEOSCIENCEVol.37No.1Feb.，2023DOI:10.19657/j.geoscience.1000 8527.2022.034天然气水合物分解的甲烷对海洋生物的影响郭子豪1，李灿苹1，陈凤英1，勾丽敏2，汪洪涛3，曾宪军4，刘一林1，田鑫裕1(1.广东海洋大学电子与信息工程学院，广东 湛江524088;2.中国地质大学(北京)海洋学院，北京100083;3.中油测井天津分公司解释评价中心，天津300457;4.广州海洋地质调查局，广东 广州510075)收稿日期:2022-04-12;改回日期:2022-09-30。基金项目:国家重点研发计划资助项目“天然气水合物勘查开发技术联合研究”(2018YFE0208200);广东海洋大学“创新强校工程”特色创新项目(230419096);湛江市创新创业团队引育“领航计划”项目(211207157080994);国家自然科学基金项目(41306050)。作者简介:郭子豪，男，硕士研究生，1996 年出生，农业工程与信息技术专业，主要从事海洋资源勘探研究。Email:1025569703 。通信作者:李灿苹，女，副教授，1977 年出生，地球探测与信息技术专业，主要从事海洋天然气水合物和羽状流地震勘探研究。Email:。摘要:随着海底环境的变化以及全球变暖的加剧，天然气水合物分解释放出大量甲烷到海洋中，其中一部分甲烷会穿过海水释放到大气中，导致大气中的温室气体增加，从而加剧了全球暖化。本文从甲烷的释放和运移路径角度梳理和总结了甲烷对海洋生物的直接和间接影响。首先，水合物分解释放甲烷，在海底形成冷泉渗漏区，滋养了一批特殊的生物群落，而甲烷是其形成生命元素中不可或缺的要素，由此繁衍形成了冷泉生态系统。其次，甲烷释放到海水中会引起海水酸化，海水酸化不仅会导致钙化生物合成碳酸钙外壳受阻，还会加速已生成外壳的溶解。最后，甲烷作为强温室气体释放到大气中还会加剧全球变暖;此外，极地冻土层的融化也会使得冻土区天然气水合物分解，导致大量甲烷进入大气中，从而致使海水暖化，海水的暖化又会对海洋生物的生存、代谢、繁殖、发育和免疫应答等多种生命活动造成影响。以上认识为进一步研究甲烷对未来海洋生态系统的影响提供重要参考信息。关键词:天然气水合物;甲烷;海洋生物;海洋酸化;海洋暖化中图分类号:P745文献标志码:A文章编号:1000 8527(2023)01 0138 15Effect of Methane from Natural Gas Hydrate Decomposition on Marine LifeGUO Zihao1，LI Canping1，CHEN Fengying1，GOU Limin2，WANG Hongtao3，ZENG Xianjun4，LIU Yilin1，TIAN Xinyu1(1.School of Electronics and Information Engineering，Guangdong Ocean University，Zhanjiang，Guangdong524088，China;2.School of Ocean Sciences，China University of Geosciences，Beijing100083，China;3.The Interpretation and Evaluation Center of CNLC Tianjin Branch，Tianjin300457，China;4.Guangzhou Marine Geological Survey，Guangzhou，Guangdong510075，China)Abstract:With changing seabed environment and the intensification of global warming，more natural gas hy-drates have decomposed and released large amount of methane into the oceans Some of the methane would as-cend through the seawater and enter the atmosphere，which would increase the atmospheric greenhouse gas con-centration，and thereby exacerbate global warming From the perspective of methane release and migration path-ways，the direct/indirect effects of methane on marine life are elucidated and summarized:(1)hydrates decom-pose to release methane，which is an indispensable compound in lifeform formation This provides energy andmaterial for autotrophic microorganisms，and supplies the food base of cold-spring biota This maintains cold-spring biota based on a food chain of chemoautotrophic bacteria，which multiply in the cold-spring ecosystem;(2)some of the methane gas would diffuse and dissolve in the seawater，which causes seawater acidificationSeawater acidification would both affect the biosynthesis of calcium carbonate shells(calcification)and acceler-ate the shell dissolution;(3)as a strong greenhouse gas，the released methane in the atmosphere would exacer-bate global warming In addition，the melting of the polar permafrost would also release large amount of methaneinto the atmosphere，which generates an adverse cycle The warming of seawater would affect the survival，me-tabolism，reproduction，development and immune response of marine life and other biological activities Ourfindings provide important reference for future research on the impact of methane on marine ecosystemKey words:natural gas hydrate;methane;marine life;ocean acidification;ocean warming0引言天然气水合物是由天然气分子和水分子形成的类冰状固态物质，其中天然气成分以甲烷为主，可含乙烷、丙烷、异丁烷、及其他非烃类化合物如二氧化碳和硫化氢等气体，由于可点燃，又俗称为“可燃冰”1 2，如无特殊说明，本文将“天然气水合物”简称为“水合物”。水合物广泛存在于陆源外围的深海沉积物中，此外也存在于极地和高原的永久冻土带中3。水合物储层中温度和压力的变化会打破水合物的稳定性，可能导致新的水合物形成，或者导致原始的水合物迅速分解并释放出甲烷4 6。世界上水合物具有巨大的资源潜力，Bos-well7 等估计全球水合物所含的甲烷储量有 2.8 10158 1018m3。同时，水合物也被看作全球气候变化和碳循环研究的重要主题8 9，地质历史上就曾发生过多次快速的气候变化，其原因均可能与水合物分解释放出大量的甲烷有关:(1)新元古代南沱冰消期(约 635 Ma)的升温事件中，约有3000 Gt C 从水合物储库中释放出来10;(2)早侏罗世(约 183 Ma)，水合物分解并向海 气系统中释放约 5000 Gt C11;(3)距今约 55.8 Ma 的古新世始新 世 极 热 事 件(PETM，Paleocene-EoceneThermal Maximum)期间大规模甲烷水合物分解并向海 气系统中释放了 1100 2100 Gt 的轻碳12，并直接或间接导致了 71%的底栖大有孔虫灭绝13。大量的甲烷侵入海洋和大气后，不仅会导致气候灾害，还会导致严重的生态灾害4。而海洋约占地球表面的 71%，是地球表面最大的生态系统14 15，甲烷的大量泄漏必然会对海洋中的生物产生重要影响。有关水合物的研究一直受到科学家们的重视，而水合物分解释放的甲烷对海洋生物影响的文献比较少。国内外学者都主要集中研究甲烷对冷泉口海洋生物的影响，人们往往忽略了释放到海水中以及大气中的甲烷对海洋生物的直接和间接影响。本文从甲烷的释放和运移路径角度梳理和总结了甲烷对海洋生物影响的已有研究成果，为这方面后续的研究提供重要的参考信息。1水合物分解释放甲烷水合物分解释放的甲烷一部分会被冷泉渗漏区的生物利用;一部分会排放到海水中被氧化;剩余的部分会穿透海水进入到大气中。1.1水合物分解的甲烷释放到海水中图 116 为我国南海某测区测线 Line2 的地震偏移剖面，从图中可以看出，在海底地层深部存在大量的甲烷游离气，游离气通过气烟囱等通道向上运移至浅层，一部分在水合物稳定带(Gas Hy-drate Stability Zone，GHSZ)形成水合物，另一部分在海底浅层的纵向通道中继续运移扩散;当地层的温压条件改变时，GHSZ 的水合物分解产生甲烷，再与未形成水合物的那部分游离气一起通过裂隙或者断层等通道(如图 1 中具有串珠状反射特征的垂向运移通道)向上运移至海底面6，通过喷涌或者渗漏的方式注入海水，形成活动冷泉和羽状流17。值得指出的是，如无特殊说明，本文所述及的甲烷主要指水合物分解释放的那部分甲烷。水合物分解释放的甲烷进入海水前，在深部厌氧的沉积物中和冷泉口，甲烷厌氧氧化菌和硫酸盐还原菌将共同参与甲烷厌氧氧化反应(AOM，Anaerobic Oxidation of Methane)，其中冷泉口的氧化菌和还原菌通常会与特定的生物共生，该反应过程消耗了超过 80%的甲烷18 19，为生物提供了所需能量。所以，对于深海生物来说，甲烷是形成生命元素中不可或缺的要素。剩余部分甲烷(约0.02 Gt C/a)在沉积物 水体界面和水体中被好氧931第 1 期郭子豪等:天然气水合物分解的甲烷对海洋生物的影响图 1南海某测区测线 Line 2 的地震剖面16(BS，似海底反射面)Fig.1Seismic profile of Line 2 in the survey area in the South China Sea16 甲烷氧化反应(AeOM，aerobic methane oxidation)消耗，其中好氧氧化反应生成的 CO2可能会导致海水酸化，最后只有少量的甲烷穿过海水释放到大气中20 23。1.2水合物分解的甲烷释放到大气中虽然水合物分解释放的甲烷大部分会在海底地层中和冷泉口被氧化，但剩余的甲烷和少量的氧化产